|
蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,或称计算机随机模拟方法,是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战进研制原子弹的“曼哈顿计划”。该计划的主持人之一、数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城—摩纳哥的Monte Carlo—来命名这种方法,为它蒙上了一层神秘色彩。
0 q; X$ G0 ]7 ^* \# h$ Z8 \ Monte Carlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在17世纪,人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。本世纪40年代电子计算机的出现,特别是近年来高速电子计算机的出现,使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。 2 E+ H; ^+ Z/ X6 y+ |( ]) D* g
考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的“图形”,如何求出这个“图形”的面积呢?Monte Carlo方法是这样一种“随机化”的方法:向该正方形“随机地”投掷N个点落于“图形”内,则该“图形”的面积近似为M/N。 ( H" v1 b. y! j" N0 ^
可用民意测验来作一个不严格的比喻。民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见,而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者。其基本思想是一样的。 % Y, q: ]4 G1 T- g# \
科技计算中的问题比这要复杂得多。比如金融衍生产品(期权、期货、掉期等)的定价及交易风险估算,问题的维数(即变量的个数)可能高达数百甚至数千。对这类问题,难度随维数的增加呈指数增长,这就是所谓的“维数的灾难”(Course Dimensionality),传统的数值方法难以对付(即使使用速度最快的计算机)。Monte Carlo方法能很好地用来对付维数的灾难,因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数。以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量。为提高方法的效率,科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧。
! v2 c1 }" X) z, n: ? 另一类形式与Monte Carlo方法相似,但理论基础不同的方法—“拟蒙特卡罗方法” 2 b/ ^/ u( Q5 E: l! ]
(Quasi-Monte Carlo方法)—近年来也获得迅速发展。我国数学家华罗庚、王元提出的“华—王”方法即是其中的一例。这种方法的基本思想是“用确定性的超均匀分布序列(数学上称为Low Discrepancy Sequences)代替Monte Carlo方法中的随机数序列。对某些问题该方法的实际速度一般可比Monte Carlo方法提出高数百倍,并可计算精确度。 具体实现的matlab代码:) ?+ |. |* o9 \1 `* L' h
---------------------------------------------------------------------------------------------------
1 n: C1 \' t3 J: J% d) p0 f% Yfunction val = ballvol(n, m)0 L I- {# s& `7 N5 g
% BALLVOL Compute volume of unit ball in R^n$ ^2 M5 v \; K4 Z3 ]
%
1 [) f* m2 P9 l- T% Computes the volume of the n-dimensional unit ball
3 W' T' p4 N) U) i; _% using monte-carlo method.
/ H0 t, U$ U, u( A% usage: val = BallVol(n, m)
" E( {) x' `0 |$ }8 _+ _$ J% F" L0 _% where: n = dimension
, v- F4 |9 x. n+ Q/ G% m = number of realisations
! c- i* _" J+ V" W/ `3 K! l5 d( B% If the second argument is omitted, 1e4 is taken as default for m., H& n0 [" Y5 n. V0 k
& @' _9 X( @& S: C# G& `
% (c) 1998, Rolf Krause, krause@math.fu-berlin.de( J2 V1 S# `' H
9 d* B1 c: r Q' Z. y: T" K. ZM = 1e4;
, ?$ b* z7 h" h! ~( r4 derror = 0;
1 Q4 ?0 d; _" J. ]: X2 Nif(nargin <1 | nargin > 2), error('wrong number of arguments'); end
( h+ x+ v' R" j* K7 kif nargin == 2, M = m; end
" Y% |5 _6 w7 {6 C" L9 S1 \- ~7 Y" v; B+ y: n8 X. i) U' ^6 h) P
R = rand(n, M);: ]) `' O# ^7 R) j' E+ a# x
in = 0;
. H( W' D5 y* C& Jfor i=1:M
1 A" x9 S. F' A# Q& Jif(norm(R(:,i),2) <= 1.0), in = in+1; end
( x/ ^& m d' B2 ^end, }: D7 Z2 `& z% O, @+ k
* x3 v; I: l4 W3 \; qval = 2^n*in/M;
3 R- D% a) k& @--------------------------------------------------------------------------------------------------& r& i! W1 v; A8 b* P" E
|